CN206894360U - 应用于无线充电发射端的发射线圈以及无线充电发射端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线充电技术，公开了一种应用于无线充电发射端的发射线圈以及无线充电发射端。无线充电发射端包括发射线圈，所述发射线圈包括螺旋线圈，所述螺旋线圈包括至少两圈线圈，所述至少两圈线圈构成三维螺旋结构，其中，所述螺旋线圈的每圈线圈呈圆形，所述螺旋线圈的每圈线圈的圆心位于一条直线上，且所述螺旋线圈的每圈线圈的半径依次增大。通过在该结构对应的空间里提供一致性的磁场，使得能够为三维螺旋结构内部的任意位置为不规则形状的接收线圈充电，保证了充电效率，提高了用户体验。

Description

应用于无线充电发射端的发射线圈以及无线充电发射端

技术领域

本实用新型涉及无线充电技术领域，特别涉及一种应用于无线充电发射端的发射线圈以及无线充电发射端。

背景技术

通常而言，一般的无线充电的发射端线圈都是平面结构，这样发射端线圈设计会比较简单，同时在表面保持了统一的磁场。这种结构对于电脑，平板和手机来讲是理想的，并且对于基础设施来讲容易量产。但是，对于小型的可穿戴智能设备(比如腕表，耳麦或眼镜等)在使用这种结构的无线充电器时，需要摆放特别的位置才能使得线圈之间具有较好的耦合性，才能进行无线充电，这对于无线充电系统来讲也创造了一个挑战。

基于磁共振无线充电系统(Alliance for Wireless Power，A4WP标准里定义的)是通过谐振的发射端线圈和谐振的接收端线圈进行磁场耦合来实现功率的传输。发明人在实现本实用新型的过程中发现，现有的基于磁共振的无线充电中存在一个普遍问题是，当接收端线圈在无线充电区域里移动的时候，传输的功率是不一致的，这是由于发射端线圈产生的磁场分布本质上也是不一致的。

因此，现有的平面结构的发射端线圈不适合为可穿戴智能设备等小型接收线圈充电，需要在发射端线圈覆盖磁场的特定位置为小型接收线圈充电，用户体验差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于无线充电发射端的发射线圈以及无线充电发射端，用以提高为小型接收线圈进行无线充电的效率，提高用户体验。

本实用新型实施例提供的具体技术方案如下：

本实用新型的实施方式提供了一种应用于无线充电发射端的发射线圈，所述发射线圈包括螺旋线圈，所述螺旋线圈包括至少两圈线圈，所述至少两圈线圈构成三维螺旋结构；其中，所述螺旋线圈的每圈线圈呈圆形，所述螺旋线圈的每圈线圈的圆心位于一条直线上，且所述螺旋线圈的每圈线圈的半径依次增大。

本实用新型的实施方式还提供了一种无线充电发射端，包括上述实施方式所述的发射线圈。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，螺旋线圈构成三维的螺旋结构，使得能在该结构对应的空间里提供一致性的磁场，从而能够为在该三维螺旋结构内部的任意位置为不规则形状的接收线圈充电，而且在有效充电区域任意位置都不影响充电效率，保证了充电效率，提高了用户体验。另外，还能够同时为多个接收线圈充电，进一步提高了充电效率和用户体验。

另外，所述三维螺旋结构为球体的一部分，所述螺旋线圈以所述球体的一部分为载体，缠绕在所述载体上。该实施方式可以在球体内部空间提供一个分布一致的磁场，在该区域任意位置都可以为可穿戴智能设备提供能量交换。

另外，所述螺旋线圈中从所述三维螺旋结构的底部起始，每相邻两圈线圈之间的间距逐渐减小，且每圈线圈的半径逐渐增大。该实施方式可以在碗状结构发射端的一定区域内达到最小化磁场波动的效果。

另外，所述线圈的半径等于R·sinθ，其中，R表示所述球体的半径，θ表示所述线圈的角度，其中，所述线圈的角度定义为：所述球体的一部分的底部与所述球体中心的连线，与所述线圈之间的夹角。该实施方式所限定的线圈在球体的一部分上的缠绕方式，能够为产生的磁场的一致性提供保障。

另外，相邻的两圈线圈的角度的差值大于第一预设值。该实施方式中，通过线圈角度的优化提高了发射线圈和接收线圈之间的耦合度，且该优化能够减小线圈之间的耦合电容，以及能够尽量提高发射线圈的磁场一致性。

另外，相邻的两圈线圈的半径的差值大于第二预设值。该实施方式，保证相邻线圈之间具有足够的距离，以及能够尽量提高发射线圈的磁场一致性。

另外，还包括寄生线圈，所述寄生线圈与所述螺旋线圈平行，且所述寄生线圈与所述螺旋线圈之间不存在物理连接。该实施方式，通过设置寄生线圈来耦合端电流，能够提高发射线圈与接收线圈之间的耦合性，以及提升发射线圈的磁场一致性。

另外，还包括调谐电容，所述调谐电容串接在所述寄生线圈之间。该实施方式中，通过调谐电容调谐实现多圈寄生线圈所需的电流比，提高了发射线圈与接收设备之间的耦合性能，并提高了磁场一致性。

本实用新型的实施方式还提供了一种无线充电发射端，将发射线圈置于碗状外壳内，该实施方式中，碗状外壳能够起到很好的保护和支撑的作用，并且能够保护螺旋线圈的结构不被破坏。

附图说明

图1a是本实施例中发射线圈的正视图；

图1b是本实施例中发射线圈的俯视图；

图2是本实施例中单圈线圈在弧面位置分布图；

图3是本实施例中单圈线圈的磁场方向示意图；

图4是本实施例中单圈线圈在Z方向上产生的磁场的分布示意图；

图5是本实施例中单圈线圈在另一R方向上产生的磁场的分布示意图；

图6是本实施例中弧面上单圈线圈的磁场分布剖面图；

图7a是本实施例中线圈尺寸图；

图7b是本实施例中弧面上每圈线圈的磁场分布图；

图8是本实施例中弧面所有线圈合成的磁场分布示意图；

图9是本实施例中无线充电发射端的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请的权利要求所要求保护的技术方案。

本实用新型的基本原理是：立体结构的发射线圈能构造一个在一定的空间内分布一致的磁场，本实用新型采用多圈线圈形成的三维螺旋结构的螺旋线圈作为发射线圈，能在一定的空间内形成分布一致的磁场，同时，在空间分布一致的磁场中，无线充电的发射端线圈与接收端线圈耦合性好，且也能支持同时为多个设备充电。

以下结合附图对本实用新型实施例中所提供的优选实施方式进行具体说明。

在图1a和图1b所示的实施中，为了在一个空间中提供一致性的磁场，将所述发射线圈设计为包括螺旋线圈，该螺旋线圈包括至少两圈线圈，并且将该至少两圈线圈设计成三维螺旋线圈结构；其中，螺旋线圈的每圈线圈呈圆形，螺旋线圈的每圈线圈的圆心位于一条直线上，且螺旋线圈的每圈线圈的半径依次增大。

在一个实施例中，为了在线圈表面进一步优化磁场，将三维螺旋线圈设计为球体的一部分；该螺旋线圈以球体的一部分为载体，缠绕在该载体上。

在图2所示的实施例中，螺旋线圈中一圈线圈的半径表示为R·sinθ表示，其中，R表示球体的半径，θ表示线圈的角度，其中，线圈的角度定义为：球体的一部分的底端与球体中心的连线，与线圈之间的夹角。该实施例中，每圈线圈均以部分球体的底端与球体中心的连线为中心线，呈对称结构。

实施中，为了在垂直方向上优化磁场以达到磁场一致性，螺旋线圈中从三维螺旋结构的底部起始，每相邻两圈线圈之间的间距逐渐减小，且每相邻两圈线圈的半径逐渐增大。例如，在图2所示的三维螺旋结构中，从球体的底部向上，每相邻两圈线圈之间的间距逐渐减小。

一个实施方式中，相邻的两圈线圈的角度的差值大于第一预设值，通过线圈角度的优化提高了发射线圈和接收线圈之间的耦合度，且该优化能够减小线圈之间的耦合电容，以及能够尽量提高发射线圈的磁场一致性。

另一个实施方式中，相邻的两圈线圈的半径的差值大于第二预设值，以保证相邻线圈之间具有足够的距离，以及能够尽量提高发射线圈的磁场一致性。

需要说明的是，相邻两圈线圈之间的角度的优化以及线圈的半径的优化可以单独实施，也可以相互结合实施。本实用新型的一种具体实施方式如下：

在一个单圈线圈中，研究单圈线圈在Z和R方向中心位置的磁场，其中，定义Z方向为垂直于线圈所在平面向上的方向，定义R方向为从线圈的中心指向外的方向，单圈线圈的磁场可以通过公式1和2描述。

图3所示为单圈线圈的磁场方向示意图；图4表示线圈在Z轴方向上的磁场分布，其中，图4中的横坐标表示空间点到Z轴的距离与线圈半径的比值，纵坐标表示测量点对应的磁场强度值；图5所示为另一线圈在R轴上的磁场分布示意图，其中，横坐标表示空间点到Z轴的距离与线圈半径的比值，纵坐标是测量点对应的磁场强度值。其中，图4和图5中每条线对应一个线圈，不同的线圈的直径大小不同。

其中，公式1和2中，表示空间点在Z轴方向上的磁场，表示空间点在R轴方向上的磁场，表示空间点与部分球体的球心的连线与部分球体中心与部分球体底部的连线之间的夹角，r表示空间点到Z 轴的距离，a表示线圈的半径，z表示空间点到线圈所在平面的距离，I₀表示线圈的电流，K(k_c)，E(k_c)分别表示完全椭圆积分函数。

根据图4和图5中单圈线圈的磁场分布状况，以及在不同直径时单圈线圈的磁场分布状况，可以设计多圈线圈结构作为发射线圈，这样的设计能够在空间一定区域内形成磁场，对该磁场进行优化设计后可以得到本实用新型的发射线圈结构。

实施中，对螺旋线圈进行优化，如图6所示为弧面单圈线圈的磁场分布示意图，弧面是无线充电发射线圈的正视剖面图。设弧面半径为R，线圈的角度为θ”，弧面的厚度表示为“t”，线圈的半径可以表示为R·sinθ。根据公式 1和2可知，弧面区域内任一点到弧面圆心方向上的磁场可以表示为公式3：

其中

其中，t表示球体壁的厚度，表示对应X轴的坐标,其中X轴定义为同时垂直于R轴和Z轴的坐标轴。根据公式1、2和3，多圈线圈的设计是通过优化弧面内表面任一点到弧面圆心方向磁场来实现。根据上述结论，在弧面内表面的总磁场可以描述为公式4：

其中，n表示线圈的圈数。实施中，优化的过程是通过计算多圈线圈在不同角度[θ₁,θ₂,θ₃…θ_n]沿着弧面内表面的总磁场H_total，以总磁场表达式作为优化的基本函数。每当增加线圈的圈数时，就用计算弧面任一点的总磁场，直到基本函数的变化小于预设门限。当基本函数的变化小于该预设门限时，即表示有效充电区域中磁场分布已达到一致。

需要说明的是，发射线圈采用三维螺旋线圈的结构，例如发射线圈包含 8圈线圈，此处仅为举例说明，发射线圈所包含的线圈的圈数根据实际设计以及测量确定，并不能理解为仅限于本实施例所描述的情况。

在一个特定线圈设计中，采用连续的三维螺旋线圈结构，线圈约有8圈，线圈采用铜线，以最小化线圈电阻。该三维螺旋线圈结构中，需要优化的变量是每圈线圈的角度，表示为θ＝[θ₁,θ₂,θ₃…θ_n]。为了将优化问题公式化，需要定义对于优化变量的每个限制条件。其中，相邻的两圈线圈的角度的差值大于第一预设值，例如，第一预设值为3度。相邻的两圈线圈的半径的差值大于第二预设值，例如，第二预设值为5mm(毫米)。通过优化使得相邻两圈线圈之间的耦合电容最小。

实施中，优化问题可以定义为：

属于:0<θ<60deg

(θ_t)>(θ_t-1)+3deg

其中，θ_t表示第t圈线圈的角度，θ_t-1表示第t-1圈线圈的角度。

例如，图7a所示为一个10cm(厘米)直径和120度角度跨度的弧面的线圈结构。这个线圈通过不规则的线圈直径和间隔设计来实现最大化表面磁场一致性的目的。该线圈结构中每圈线圈的详细尺寸如图7a所示。每圈线圈对一般磁场的贡献如图7b所示，整体线圈结构中的一般磁场的分布如图8 所示，大约有达60～70％的角度偏移，此磁场分布相当一致，可以支持可穿戴设备的充电。

实施中，为了提高与接收设备的耦合和提升磁场的一致性，设计了一种寄生线圈，所述寄生线圈与螺旋线圈平行，且所述寄生线圈与螺旋线圈之间不存在物理连接。具体实施中，寄生线圈可以是一圈或者半圈或者是圆环的一部分。

实施中，寄生线圈可以设置至少一个。例如，可以设置两个，三个或更多个寄生线圈。

一个或多个寄生线圈的结构可以通过在线圈间引入不一致的电流分布参数来优化，此情况下，一般磁场可以表示为公式5：

其中，a＝[a₁,a₂,a₃…a_n]描述了不同圈数的线圈之间的电流比，例如，a₁表示第一圈线圈与第二圈线圈之间的电流比，依次类推(其中，连续线圈的 a＝1)，θ_i表示第i圈线圈的角度。优化的过程将通过使用a和θ的不同组合来进行，从而达到最好的一致性和耦合性能。

实施中，为了实现多圈寄生线圈所需的电流比，以进一步提高发射线圈和接收线圈的耦合性能，在寄生线圈之间增加调谐电容，所述调谐电容串接在寄生线圈的两端。

通过以上优化过程可以看出，本实用新型实施例所提供的无线充电的发射线圈，在有效的充电区域内能保持好的磁场一致性，并且能与多个充电设备耦合，从而支持很好的位置灵活性，在有效充电区域的任意位置均可进行能量交换。

基于同一构思，本实用新型的实施例还提供了一种应用于无线充电系统的无线充电发射端，该无线充电发射端中包括以上任意实施例中所描述的无线充电的发射线圈。

一个具体实施方式中，为了保证本实用新型设计的螺旋线圈能够保持优化的结构良好稳定的运行，本实施例中还设计了一个碗状外壳，发射线圈置于碗状外壳内，以保护螺旋线圈，如图9所示为该碗状外壳的结构示意图。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (10)

1.一种应用于无线充电发射端的发射线圈，其特征在于，所述发射线圈包括螺旋线圈，所述螺旋线圈包括至少两圈线圈，所述至少两圈线圈构成三维螺旋结构；

其中，所述螺旋线圈的每圈线圈呈圆形，所述螺旋线圈的每圈线圈的圆心位于一条直线上，且所述螺旋线圈的每圈线圈的半径依次增大。

2.根据权利要求1所述的发射线圈，其特征在于，所述三维螺旋结构为球体的一部分；

所述螺旋线圈以所述球体的一部分为载体，缠绕在所述载体上。

3.根据权利要求2所述的发射线圈，其特征在于，所述螺旋线圈中从所述三维螺旋结构的底部起始，每相邻两圈线圈之间的间距逐渐减小，且每圈线圈的半径逐渐增大。

4.根据权利要求2或3所述的发射线圈，其特征在于，所述线圈的半径等于R·sinθ，其中，R表示所述球体的半径，θ表示所述线圈的角度，其中，所述线圈的角度定义为：所述球体的一部分的底部与所述球体中心的连线，与所述线圈之间的夹角。

5.根据权利要求4所述的发射线圈，其特征在于，相邻的两圈线圈的角度的差值大于第一预设值。

6.根据权利要求1-3任一项所述的发射线圈，其特征在于，相邻的两圈线圈的半径的差值大于第二预设值。

7.根据权利要求1-3、5任一项所述的发射线圈，其特征在于，还包括寄生线圈，所述寄生线圈与所述螺旋线圈平行，且所述寄生线圈与所述螺旋线圈之间不存在物理连接。

8.根据权利要求7所述的发射线圈，其特征在于，还包括调谐电容，所述调谐电容串接在所述寄生线圈两端。

9.一种无线充电发射端，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的发射线圈。

10.根据权利要求9所述的无线充电发射端，其特征在于，所述发射线圈置于碗状外壳内。